CN102618784B - 60公斤级低成本、高韧性钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

60公斤级低成本、高韧性钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.145％～0.185％，Si：≤0.30％，Mn：1.35％～1.65％，P：≤0.013％，S：≤0.003％，Cu：≤0.25％，Ni：≤0.25％，Als：0.005％～0.015％，V：0.150％～0.190％，N：0.015％～0.020％，Ca：0.001％～0.003％，余为Fe和不可避免的杂质；本发明采用中C-低Si-高Mn-超低Als-高V合金化的成分体系作为基础，结合冶金技术控制，优化RCR+NT工艺，使成品钢板的显微组织为均匀细小铁素体+珠光体+含有少量的粒状贝氏体，铁素体平均晶粒尺寸在15μm以下，获得均匀优良的强韧性、强塑性匹配的同时，钢板具有极其优良的低温韧性，特别适用于承压构件、石油储罐、移动储罐车等大型钢结构容器。

Description

60公斤级低成本、高韧性钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及低碳高强度低合金钢的制造，特别涉及60公斤级低成本、高韧性钢板及其制造方法，钢板的屈服强度≥460MPa，抗拉强度≥600MPa，-40℃的Charpy冲击功(单个值)≥47J，可焊接性优良。

背景技术

众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、造船、桥梁结构、锅炉容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、塑性、韧性和焊接性是低碳(高强度)低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组织状态；随着科技不断地向前发展，人们对高强钢的强韧性、强塑性匹配提出更高的要求，即在维持较低的制造成本的同时，大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢材的用量节约成本，减轻钢结构的自身重量、稳定性和安全性，更为重要的是为进一步提高钢结构安全稳定性和冷热加工性；目前日韩、欧盟范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，力图通过合金组合设优化计和革新制造工艺技术获得更好的组织匹配，使高强钢获得更优良的强韧性、强塑性匹配及焊接性。

传统的抗拉强度强度大于600MPa的钢板主要通过再加热淬火+回火(RQ+T)，即所谓离线调质方法来生产，为确保钢板具有足够高的强度、优良的低温韧性及显微组织与性能的均匀，不可避免地向钢中加入Cr、Mo、Ni、Cu等合金元素，大幅度提高制造成本，参见日本专利昭59-129724、平1-219121；而且钢板的合金含量较高，不仅导致钢板制造成本较高，而且碳当量Ceq、焊接冷裂纹敏感指数Pcm也相对较高，这给现场焊接带来较大的困难，焊前预热温度高，焊后需要热处理，焊接加工成本升高、焊接制作效率降低、焊接现场工作环境恶化。现有大量专利文献只是说明如何实现调质钢板母材的强度和低温韧性，就改善钢板焊接能性，获得优良焊接热影响区HAZ低温韧性说明较少，更没有涉及如何确保调质钢板中心部位淬透性，以保证钢板强度、韧性及沿钢板厚度方向强度、韧性均匀性，参见日本专利昭63-93845、昭63-79921、昭60-258410、特平开4-285119、特平开4-308035、平3-264614、平2-250917、平4-143246及美国专利US Patent4855106、US Patent5183198、USPatent4137104。

发明内容

本发明的目的是提供一种60公斤级低成本、高韧性钢板及其制造方法，获得的成品钢板的显微组织为均匀细小铁素体+珠光体+含有少量的粒状贝氏体，铁素体平均晶粒尺寸在15μm以下，获得均匀优良的强韧性、强塑性匹配的同时，钢板具有极其优良的低温韧性，特别适用于承压构件、石油储罐、移动储罐车等大型钢结构容器，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明采用中C-低Si-高Mn-超低Als-高V合金化的成分体系作为基础，控制Mn/C≥8.5、V/N在9.0～11.0之间且(％V)×(％N)≥0.0023、100[(％V)-3.65(％N)]≥Mn/C、Ca处理且Ca/S比在0.80～3.00之间且(％Ca)(％S)^0.18≤2.5×10^-3等冶金技术手段，优化RCR+NT工艺，使成品钢板的显微组织为均匀细小铁素体+珠光体+含有少量的粒状贝氏体，铁素体平均晶粒尺寸在15μm以下，获得均匀优良的强韧性、强塑性匹配的同时，钢板具有极其优良的低温韧性。

具体的，本发明的60公斤级低成本、高韧性钢板，其成分重量百分比为：C：0.145％～0.185％，Si：≤0.30％，Mn：1.35％～1.65％，P：≤0.013％，S：≤0.003％，Cu：≤0.25％，Ni：≤0.25％，Als：0.005％～0.015％，V：0.150％～0.190％，N：0.015％～0.020％，Ca：0.001％～0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素含量必须同时满足如下关系：

Mn/C≥8.5，保证钢板晶粒均匀细小且在-40℃下夏比冲击试样断口纤维率至少高于50％(即发生塑性断裂)，且钢板显微组织中的珠光体晶团尺寸细小、均匀分布；

V/N在9.0～11.0之间且(％V)×(％N)≥0.0023，保证形成数量足够且均匀弥散分布的VN粒子，作为铁素体形核位置，促进正火过程中γ→α相变，细化铁素体晶粒尺寸，改善正火回火型钢板的低温韧性；

100[(％V)-3.65(％N)]≥Mn/C，保证形成数量足够且均匀弥散分布的纳米级VC粒子，强化正火回火型钢板，保证钢板屈服强度、抗拉强度，实现钢板的强韧性匹配；

Ca与S之间的关系：Ca/S在0.80～3.0之间，且(％Ca)(％S)^0.18≤2.5×10^-3，保证钢中硫化物球化，以改善钢板低温韧性、焊接性、抗SR脆性、抗层状撕裂性能。

在本发明钢的成分设计中：

C对正火回火型钢板的强度、低温韧性、延伸率及焊接性影响很大，从改善正火回火型钢板低温韧性和焊接性角度，希望钢中C含量控制得相对较低；但是从钢板强韧性、强塑性匹配及生产制造过程中显微组织控制与制造成本的角度，C含量不宜控制得过低；因次C含量合理范围为0.145％～0.185％。

Mn作为最重要的合金元素在钢中除提高正火回火型钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、降低Ac₃、Ac₁、Ar₃、Ar₁点温度、细化晶粒尺寸而改善正火回火型钢板的低温韧性之作用、促进VC在低温下以纳米级细小弥散地状态析出而提高钢板强度的作用；但是Mn在钢水凝固过程中容易发生偏析，尤其Mn含量较高时，不仅会造成浇铸操作困难，而且容易与C、P、S等元素发生共轭偏析现象，尤其钢中C含量较高时，加重铸坯中心部位的偏析与疏松，严重的铸坯中心区域偏析在后续的轧制、热处理及焊接过程中易形成异常组织，导致钢板低温韧性低下和焊接接头出现裂纹；因此根据C含量范围，选择适宜的Mn含量范围对于正火回火型钢板极其重要，通过研究本发明钢适合Mn含量为1.35％～1.65％，且C含量高时，Mn含量适当降低；反之亦然，即C含量低时，Mn含量适当提高。

Si促进钢水脱氧并能够提高正火回火型钢板的强度，但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si虽然能够提高钢板的强度，但是Si严重损害钢板的低温韧性、延伸率及焊接性，尤其在较大线能量焊接条件下，Si不仅促进M-A岛形成，而且形成的M-A岛尺寸较为粗大、分布不均匀，严重损害焊接热影响区(HAZ)的韧性，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，Si含量控制在0.30％以下。

P作为钢中有害杂质对正火回火型钢板的机械性能，尤其低温冲击韧性、延伸率、焊接性(尤其较大线能量焊接性)及焊接接头SR性能具有巨大的损害作用，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，对于要求可较大线能量焊接、-40℃韧性及优良强韧性/强塑性匹配的正火回火型钢板钢板，P含量需要控制在≤0.013％。

S作为钢中有害杂质对正火回火型钢板的低温韧性具有很大的损害作用，更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的低温冲击韧性、延伸率、Z向性能、焊接性及焊接接头SR性能，同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本和物流顺畅原则，对于要求优良焊接性、-40℃韧性及优良强韧性/强塑性匹配的正火回火型钢板钢板，S含量需要控制在≤0.003％。

Cu也是奥氏体稳定化元素，添加Cu也可以降低Ar₃点温度，提高正火回火型钢板的强度、韧性及耐大气腐蚀性；但是Cu添加量过多，高于0.30％，除了提高合金用量、增加制造成本外，还容易造成铜脆、铸坯表面龟裂、内裂问题及尤其厚钢板焊接接头SR性能劣化，因此可以适当添加Cu元素，Cu添加量≤0.25％。

添加Ni不仅可以提高低温铁素体位错的可动性，降低位错运动的P-N力，促进位错交滑移，改善正火回火型钢板的低温韧性；Ni作为奥氏体稳定化元素，降低Ac₃、Ac₁、Ar₃、Ar₁点温度，细化铁素体晶粒尺寸，因此Ni具有同时提高正火回火型强度、延伸率和低温韧性的功能；钢中加Ni还可以降低含铜钢的铜脆现象，减轻热轧过程的晶间开裂，提高钢板的耐大气腐蚀性。因此从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是过高的Ni含量会硬化焊接热影响区，对钢板的焊接性及焊接接头SR性能不利；同时Ni是一种很贵重元素，从性能价格比考虑，Ni含量控制在≤0.25％，以确保正火回火型的强韧性匹配、低温韧性而不损害钢板的焊接性。

为保证钢中的N与V结合，形成VN弥散分布的粒子，作为铁素体形核位置，促进正火过程中γ→α相变，细化铁素体晶粒尺寸，且获得高的VC析出强化；因此，在保证钢水脱氧的情况下，钢中的Al尽可能控制得越低越好；当钢中Als含量低于0.005％时，钢水脱氧不充分，钢中氧化物夹杂增多，恶化钢板的低温韧性与焊接性；当钢中Als高于0.015％时，VN粒子析出受到影响；因此，钢中Als含量控制在0.005％～0.015％。

在本发明钢中，V的作用极其重要，V有两方面的作用：其一是与N结合，形成弥散分布的VN粒子，作为铁素体形核位置，促进正火过程中γ→α相变，细化铁素体晶粒尺寸，保证正火回火型钢板的低温韧性；其二是剩余V与C结合，形成均匀细小弥散分布的VC粒子，强化铁素体晶粒，提高正火回火型钢板的强度；因此，大量添加V元素必不可少，根据上述分析与Al-V-N-C之间关系的试验研究，适合的V含量控制在0.150％～0.190％。

为了确保钢中形成高密度的弥散分布的VN粒子作为铁素体形核位置，根据Al-V-N-C之间关系的试验研究，钢中的N控制在0.015％～0.020％。

对钢进行Ca处理，一方面可以进一步纯洁钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物、抑制S的热脆性、提高钢板的低温韧性、延伸率及Z向性能、改善钢板韧性的各向异性。Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(O，S)尺寸过大，脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性和延伸率，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一般控制Ca含量按ESSP＝(wt％Ca)[1-1.24(wt％O)]/1.25(wt％S)，其中ESSP为硫化物夹杂形状控制指数，对于高V-N钢，取值范围0.8～4之间为宜，因此Ca含量的合适范围为0.0010％～0.0030％。

本发明的60公斤级低成本、高韧性钢板的制造方法，其包括如下步骤：

a)冶炼、铸造

根据上述成分冶炼、铸造成板坯；

b)轧制，钢板总压缩比即板坯厚度/成品钢板厚度≥8.5，保证轧制形变穿透到钢板芯部，改善钢板中心部位显微组织与性能；

板坯加热温度控制在1000℃～1100℃之间，确保钢中V的析出物在板坯加热过程中全部固溶到奥氏体中去的同时，板坯奥氏体晶粒不发生反常长大；

第一阶段为普通轧制，采用轧机最大轧制能力进行不间断地轧制，最大程度提高轧线产能的同时，确保形变金属发生再结晶，细化奥氏体晶粒；

第二阶段采用再结晶控制轧制，开轧温度控制在820℃～860℃，轧制道次压下率≥8％，累计压下率≥75％，终轧温度780℃～820℃；

c)冷却

轧制结束后，钢板自然空冷至350℃以下进行缓冷，缓冷工艺为钢板温度表面大于300℃的条件下至少保温24小时。

d)热处理

正火，正火温度(板温)为880～910℃，正火保持时间为15～35min；正火保持时间定义为钢板中心温度达到正火目标温度后开始计时的保温时间；钢板出炉后自然空冷至室温，以确保钢板显微组织和珠光体晶团尺寸均匀细小，珠光体分布均匀，提高钢板低温韧性的同时，抗SR脆化性能优异；

回火，回火温度(板温)为580～630℃，回火保持时间≥(1.0～1.5)min/mm×成品钢板厚度，时间单位为min，成品钢板厚度单位为mm；以确保显微组织中的粒状贝氏体分解，获得强韧性匹配；回火保持时间定义为钢板中心温度达到回火目标温度后开始计时的保温时间。

本发明的有益效果

本发明钢板通过简单成分组合设计，并与RCR+NT制造工艺相结合，不仅低成本地生产出低温韧性优良的正火回火型钢板，不仅大幅度地减少了Cu、Ni合金用量，而且去除了Mo、Cr合金化，消除了含有大量Cu、Ni、Cr、Mo废钢回收困难，为企业创造巨大的价值，实现了制造过程的绿色环保。钢板的高性能、高附加值集中表现在钢板具有优异的强韧性、强塑性匹配的同时，钢板的焊接性(尤其较大线能量焊接性)也同样优异，并成功地解决了正火回火型钢板SR处理后性能严重劣化的问题，极大地提高了大型重钢结构的安全稳定性、抗疲劳性能；良好的焊接性节省了用户钢构件制造的成本，缩短了用户钢构件制造的时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。

附图说明

图1为本发明实施例2钢的显微组织(1/4厚度)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

表1为本发明实施例钢的成分，表2、表3、表4为本发明实施例钢的制造工艺。表5为本发明实施例钢的性能。

从图1及表5可以看出，本发明钢板的显微组织为均匀细小铁素体+珠光体+含有少量的粒状贝氏体，铁素体平均晶粒尺寸在15μm以下，获得均匀优良的强韧性、强塑性匹配的同时，钢板具有极其优良的低温韧性。

综上所述，本发明采用中C-低Si-高Mn-超低Als-高V合金化的成分体系作为基础，优化RCR+NT工艺，使成品钢板的显微组织为均匀细小铁素体+珠光体+含有少量的粒状贝氏体，铁素体平均晶粒尺寸在15μm以下，获得均匀优良的强韧性、强塑性匹配的同时，钢板具有极其优良的低温韧性，特别适用于承压构件、石油储罐、移动储罐车等大型钢结构容器，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。

Claims (2)

1.60公斤级低成本、高韧性钢板，其成分重量百分比为：

C：0.145％～0.185％

Si：≤0.30％

Mn：1.35％～1.65％

P：≤0.013％

S：≤0.003％

Cu：≤0.25％

Ni：≤0.25％

Als：0.005％～0.015％

V：0.150％～0.190％

N：0.015％～0.020％

Ca：0.001％～0.003％

其余为Fe和不可避免的杂质；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

Mn/C≥8.5；

V/N在9.0～11.0之间，且(％V)×(％N)≥0.0023；

100[(％V)-3.65(％N)]≥Mn/C；

Ca与S之间的关系：Ca/S在0.80～3.0之间，且(％Ca)(％S)^0.18≤2.5×10^－3；并通过下述方法获得，包括：

a)冶炼、铸造

根据上述成分冶炼、铸造成板坯；

b)轧制，钢板总压缩比即板坯厚度/成品钢板厚度≥8.5板坯加热温度控制在1000℃～1100℃之间；

第一阶段为普通轧制，采用轧机最大轧制能力进行不间断地轧制；

第二阶段采用再结晶控制轧制，开轧温度控制在820℃～860℃，轧制道次压下率≥8％，累计压下率≥75％，终轧温度780℃～820℃；

c)冷却

轧制结束后，钢板自然空冷至350℃以下进行缓冷，缓冷工艺为钢板温度表面大于300℃的条件下至少保温24小时；

d)热处理

正火，正火温度为880～910℃，正火保持时间为15～35min；正火保持时间定义为钢板中心温度达到正火目标温度后开始计时的保温时间；钢板出炉后自然空冷至室温；

回火，回火温度为580～630℃，回火保持时间≥(1.0～1.5)min/mm×成品钢板厚度，时间单位为min，成品钢板厚度单位为mm；回火保持时间定义为钢板中心温度达到回火目标温度后开始计时的保温时间。

2.60公斤级低成本、高韧性钢板的制造方法，其包括如下步骤：

a)冶炼、铸造

根据下述成分冶炼、铸造成板坯；其成分重量百分比为：0.145％～0.185％、Si≤0.30％、Mn：1.35％～1.65％、P：≤0.013％、S：≤0.003％、Cu：≤0.25％、Ni：≤0.25％、Als：0.005％～0.015％、V：0.150％～0.190％、N：0.015％～0.020％、Ca：0.001％～0.003％、其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素含量必须同时满足如下关系：

Mn/C≥8.5；

V/N在9.0～11.0之间，且(％V)×(％N)≥0.0023；

100[(％V)-3.65(％N)]≥Mn/C；

Ca与S之间的关系：Ca/S在0.80～3.0之间，且(％Ca)(％S)^0.18≤2.5×10^－3；

b)轧制，钢板总压缩比即板坯厚度/成品钢板厚度≥8.5

板坯加热温度控制在1000℃～1100℃之间；

第一阶段为普通轧制，采用轧机最大轧制能力进行不间断地轧制；

第二阶段采用再结晶控制轧制，开轧温度控制在820℃～860℃，轧制道次压下率≥8％，累计压下率≥75％，终轧温度780℃～820℃；

c)冷却

轧制结束后，钢板自然空冷至350℃以下进行缓冷，缓冷工艺为钢板温度表面大于300℃的条件下至少保温24小时；

d)热处理

正火，正火温度为880～910℃，正火保持时间为15～35min；正火保持时间定义为钢板中心温度达到正火目标温度后开始计时的保温时间；钢板出炉后自然空冷至室温；

回火，回火温度为580～630℃，回火保持时间≥(1.0～1.5)min/mm×成品钢板厚度，时间单位为min，成品钢板厚度单位为mm；回火保持时间定义为钢板中心温度达到回火目标温度后开始计时的保温时间。